Semicondutores

Semicondutores usados em electrónica são materiais cristalinos (silício, germânio, gálio) a que são acrescentadas impurezas doadoras ou aceitadoras , após a colocação de impurezas o material semicondutor é classificado como semicondutor tipo N ou tipo P. A junção de materiais P e N possibilitam o fabrico de componentes semicondutores, o díodo e a célula solar são constituídos por duas junções uma N e outra P, ou o transístor constituído por três junções duas N e uma P, ou duas P e uma N. A base de todos os circuitos integrados é o material semicondutor.
Na natureza o material semicondutor tem uma concentração de portadores negativos e positivos igual, designam-se por semicondutores intrínsecos. Ao serem adicionadas impurezas designam-se por semicondutores extrínsecos ou dopados.

Estrutura Cristalina dos Semicondutores

Quando os átomos se unem para formar as moléculas de uma substância, a distribuição desses átomos no espaço pode ou não ser feita organizada e definidamente. As substâncias cujos átomos se agrupam formando uma estrutura ordenada são denominadas substâncias cristalinas, e a disposição de seus átomos formam a chamada estrutura cristalina. O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica, conforme é mostrado na figura.

Electrões e Lacunas

Na prática, a estrutura cristalina só é conseguida quando o cristal de Silício é submetido à temperatura de zero graus absolutos (ou -273ºC). A essa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas e, consequentemente, o material comporta-se como isolante porque, não havendo electrões livres, não será possível estabelecer uma corrente eléctrica através do cristal.
Quando este mesmo cristal de Silício é submetido à temperatura ambiente normal (20^ºC, por exemplo), a energia térmica (calor) provoca o rompimento de algumas ligações covalentes, fazendo com que os electrões que abandonam as ligações rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se electrões livres.

Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um electrão de valência (e), passa existir uma região com carga positiva +1, uma vez que o átomo de Silício era neutro e um electrão o abandonou. Essa região positiva que, em outras palavras, é uma ligação covalente incompleta, recebe o nome de LACUNA, sendo conhecida também como BURACO, CAVIDADE ou VAZIO.

Em síntese, à medida que a temperatura aumenta, surgem os "portadores livres de carga eléctrica" (electrões e lacunas) no interior do cristal, tornando-o capaz de conduzir corrente eléctrica quando submetido a uma diferença de potencial. Isso explica o que A resistividade dos semicondutores diminui com a elevação de temperatura.

Sempre que uma ligação covalente é rompida, surgem, simultaneamente, um electrão e uma lacuna, podendo, entretanto, um electrão preencher o lugar de uma lacuna, completando a ligação covalente (processo da RECOMBINAÇÃO). Como tanto os electrões como as lacunas aparecem e desaparecem aos pares, dizemos então que, num cristal semicondutor puro, o número de electrões livres é sempre igual ao número de lacunas. A uma certa temperatura, o número de pares electrão-lacuna é  muito maior num cristal de Germânio puro que num cristal de Silício pois, como já foi visto, a resistividade do Germânio é bem menor que a resistividade do silício.

Ligações Covalentes

Cada átomo de Silício une-se a outros quatro átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro electrões de valência de um átomo é compartilhado com um electrão do átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes partilham os dois electrões.

Dopagem de Semicondutores

Ao processo de adição de impurezas doadoras ou aceitadoras atribuí-se o nome de Dopagem Semicondutores . O exemplo seguinte exemplifica a dopagem de silício com fósforo e boro.

Dopagem Silício

Semicondutores Positivos (de tipo P)

Quando ao silício de adiciona um elemento do Grupo III como o Alumínio, Gálio, Boro, que têm 3 electrões de valência, produz-se uma corrente onde faltam tantos electrões como átomos do elemento adicionado, formado desta forma um semicondutor do tipo P.

Semicondutores Negativos (de tipo N)

Se, em vez de adicionarmos com um elemento o grupo III, adicionarmos elementos do grupo V, como o fosforo, arsénio ou antimónio que têm 5 electrões de valência, produz-se uma rede com electrões em excesso movendo-se em direcção contrária ao campo submetido.

Movimento dos electrões e das lacunas

Quando o cristal é submetido a uma diferença de potencial (ou tensão eléctrica), a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário,uma vez que possui carga eléctrica . Para compreender melhor esse movimento das lacunas, consideremos alguns átomos de um cristal semicondutor (Silício ou Germânio), supondo que esteja ligado aos pólos de uma pilha. Se no átomo 1 for rompida uma ligação covalente, aparecerá um electrão, que será rapidamente atraído pelo pólo positivo (+) da pilha seca, ficando no lugar desse átomo uma lacuna.

Um electrão de qualquer ligação covalente do átomo 2 poderá preencher a lacuna deixada pelo primeiro electrão do átomo 1.

Entretanto, quando o electrão abandona a ligação covalente do átomo 2, surgirá uma nova lacuna que, por sua vez, poderá ser preenchida por qualquer electrão de uma ligação covalente do átomo 3. e assim sucessivamente.